(57)【要約】  複数のサセプター（２０〜２２）の各々に基板（１０〜１２）が搭載される。各々に基板が搭載された複数のサセプターが、互いに上下方向に所定間隔が設けられるように回転機構に配置される。複数のサセプターが配置された回転機構が回転させられる。各々に基板が搭載された複数のサセプターが加熱される。回転しながら加熱されるサセプターの各々に、経路長が略等しいガス流路を経由しながら加熱された原料ガスを供給することで、半導体薄膜が堆積される。
2011114858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサセプター（２０〜２２）の各々に基板（１０〜１２）を搭載する工程と、
各々に前記基板が搭載された前記複数のサセプターを、互いに上下方向に所定間隔が設けられるように回転機構（５０）に配置する工程と、
前記複数のサセプターが配置された前記回転機構（５０）を回転させる工程と、
各々に前記基板が搭載された前記複数のサセプターを加熱する工程と、
回転しながら加熱される前記サセプターの各々に、経路長が略等しいガス流路を経由しながら加熱された原料ガスを供給することで、半導体薄膜を堆積する工程と
を備える、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記複数のサセプターの各々に供給される前記原料ガスは層流状態とされる、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記基板を搭載する工程は、前記複数のサセプターの少なくとも１つの両面の各々に前記基板を配置する工程を含む、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記複数のサセプターおよび前記原料ガスの少なくともいずれかは、抵抗加熱による複数の面からの輻射加熱によって加熱される、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記抵抗加熱は、互いに独立に制御された複数の抵抗加熱ヒーター（７６）によって行われる、請求項４に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記複数のサセプターおよび前記原料ガスの少なくともいずれかは、高周波加熱によって加熱される、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記複数のサセプターの外周の回転周速度が、前記複数のサセプターに供給される前記原料ガスの流速以下である、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記複数のサセプタを前記回転機構に配置する工程は、前記回転機構を収めるチャンバー（５５）内へ前記複数のサセプタを搬入する工程を含み、
前記半導体薄膜を堆積する工程の後に、前記複数のサセプタを搬出する工程をさらに備え、
前記複数のサセプタを搬入する工程および前記複数のサセプタを搬出する工程の各々において、前記チャンバー内の雰囲気温度が２００℃以上に維持される、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記半導体薄膜を堆積する工程の後に、７００℃以上の温度を有する前記複数のサセプタを搬出する工程をさらに備える、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体薄膜を堆積する工程は、炭化硅素および窒化物のいずれかを堆積することによって行われる、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
基板（１０〜１２）上に原料ガスを供給することで半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造装置であって、
各々が前記基板を搭載する複数のサセプター（２０〜２２）と、
前記複数のサセプターを、互いに上下方向に所定間隔を設けて配置し、かつ回転させる回転機構（５０）と、
前記複数のサセプターの各々および前記原料ガスを所定温度に加熱する加熱機構と、
前記複数のサセプターの各々に、経路長が略等しいガス流路を経由しながら加熱された前記原料ガスを供給する原料ガス導入機構と
を備える、半導体薄膜の製造装置。
【請求項１２】
前記原料ガス導入機構は、前記複数のサセプターの各々に供給される前記原料ガスを層流状態にする層流状態形成機構を含む、請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１３】
前記加熱機構は抵抗加熱ヒータ（７６）を含み、前記抵抗加熱ヒータは、複数の面からの輻射加熱を行うことができるように構成されている、請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１４】
水冷され、前記抵抗加熱ヒーターを収納する金属のチャンバー（５５）と、
前記抵抗加熱ヒーターと前記チャンバーとの間に配置された断熱材（７５）とをさらに備える、請求項１３に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１５】
前記加熱機構は高周波加熱機構である、請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１６】
前記回転機構（２４０）に駆動力を伝達するための回転駆動軸（２４５）をさらに備え、前記回転駆動軸は、炭素からなり、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の直径を有する、請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１７】
前記複数のサセプタを昇降させるための昇降機構（２５７）をさらに備える、請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１８】
請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置に用いられるサセプターであって、
前記基板を搭載することができるように形成された穴（２０ｂ）が設けられた板状本体（２０ａ）と、
前記穴から前記基板が落下することを防ぐための、前記板状本体から前記穴内に向けて突出した係止爪（２０ｃ）と
を備える、サセプター（２０）。
【請求項１９】
請求項１１に記載の半導体薄膜の製造装置の回転機構に用いられるサセプター保持具であって、
前記複数のサセプターが互いに上下方向に所定間隔を設けて配置されるように前記複数のサセプターの各々を保持しており、
前記複数のサセプターを搬入および搬出するのに用いることができるように、突出部（８５）が頭頂部に設けられている、サセプター保持具（２５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜の製造装置、サセプター、およびサセプター保持具に関する。特に、サセプター上で単結晶の半導体薄膜をエピタキシャル成長させるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法に基づく半導体薄膜の製造方法および製造装置に関し、さらに、前記製造装置に用いられるサセプターおよびサセプター保持具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ（炭化珪素）を用いた半導体基板は、Ｓｉ（シリコン）等を用いた半導体基板に比較してバンドギャップが高く、耐熱性、熱伝導性等も良好なため、研究が盛んに行われている。【０００３】
このＳｉＣ製半導体基板（以下、「ＳｉＣ基板」という）の製造においては、従来より、ホットウォール方式のＣＶＤ装置が用いられている。【０００４】
このホットウォール式ＣＶＤ装置を用いたＳｉＣ基板の製造につき、図１２を参照しつつ説明する。図１２は、従来のホットウォール式ＣＶＤ装置の主要部を模式的に示す図である。図１２において、基板１０はＳｉＣのエピタキシャル成長を行うための種基板としての単結晶である。【０００５】
そして、サセプター２０は基板１０を載置するものであり、ＳｉＣやＴａＣ（炭化タンタル）をコートしたＣ（炭素）等からなっており、下部のワークコイル７０からの高周波誘導加熱により発熱して基板１０を加熱する。【０００６】
また、加熱板３０は、サセプター２０に対向して配置されており、サセプター２０と同様に、ＳｉＣやＴａＣをコートしたＣ等からなっており、上部のワークコイル３２からの高周波誘導加熱により発熱する。なおこの装置にはまた、断熱材３１、６０と、ステンレス鋼製の遮蔽板（シールド）３３、７１と、冷却管３４、７２と、石英管８０と、装置壁９０と、ガス導入口９５と、ガス排出口９６とが設けられている。【０００７】
温度１５００〜１６００℃、真空度１３．３〜２６．６ｋＰａ（１００〜２００Ｔｏｒｒ）に設定された装置内に、ガス導入口９５より原料ガスＳｉＨ４とＣ３Ｈ８およびキャリアガスであるＨ２が導入され、サセプター２０に載置された基板１０の表面にＳｉＣ単結晶がエピタキシャル成長する。その後、ガスはガス排出口９６より装置外に排出される。【０００８】
しかし、このホットウォール方式には以下のような問題点があった。即ち、導入された原料ガスは、基板１０上にＳｉＣ単結晶を形成すると共に、基板１０に対向して配置された加熱板３０の表面に多結晶ＳｉＣを形成し、この加熱板３０に形成された多結晶ＳｉＣが、パーティクルとなってＳｉＣ単結晶を成長させた基板１０上に落下してくる恐れがあった。ＳｉＣ単結晶に多結晶ＳｉＣが混在すると、ＳｉＣ基板の品質が低下する。このため、装置内の清掃を定期的に行って、パーティクルの落下を防止する必要があった。【０００９】
また、サセプター２０上に複数の基板１０を載置して生産効率の向上を図ろうとした場合、例えば、直径５０ｍｍ（２インチ）程度の基板を６枚配置する程度であれば、あまり大きなサイズのサセプターを必要としないが、直径１５０ｍｍ（６インチ）程度の基板を６枚配置しようとすると非常に大きなサイズのサセプターが必要となる。そして、このような、大きなサイズのサセプターは表面積が大きいため、輻射熱が逃げ易くエネルギーコストを悪化させる問題もある。【００１０】
これらの問題に対処するために、基板を載置した複数のプレートを多段に設置して、単位体積あたりのサセプターの表面積を小さくさせることにより、熱の逃げを少なくして効率的な加熱を行うと共に、省スペース化を図り、さらに、上側のプレートほどガス流の上流側により多くはみ出すように配置することにより、ＳｉＣ粉塵の基板上への落下を回避して多数の基板にエピタキシャル膜を形成させる技術が開示されている（特開２００８−３１１５４２号公報（特許文献１））。【００１１】
また、基板を載置した複数のサセプターを多段に配置し、複数組の原料ガスの導入口と排出口を異なる方向に設けることにより、多数の基板にエピタキシャル膜を形成させる技術も開示されている（特開２００９−１５８７２６号公報（特許文献２））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−３１１５４２号公報
【特許文献２】特開２００９−１５８７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特開２００８−３１１５４２号公報の技術においては、基板サイズが大きくなると、ガスの上流と下流の位置でガスの組成が変化するため、エピタキシャル膜の膜質や膜厚さらに不純物濃度に差が発生し、安定した品質の製品を得ることが難しい。また、パーティクルの付着は抑制しているものの、パーティクルの発生自体を抑制するものではない。【００１４】
また、特開２００９−１５８７２６号公報の技術においては、原料ガスの導入口と排出口を複数組設けるとしても数に限度があるため、原料ガスの経路長を等しくすることができず、ガス流の乱れとも相まって、均一なエピタキシャル膜を得ることができない。そして、原料ガスが十分加熱されない状態で各基板上に到達した場合、基板上でも引き続きガス温度の上昇が進み、エピ膜の膜厚分布、不純物濃度分布が発生し、均一なエピタキシャル膜を得ることができない。【００１５】
このため、パーティクルの発生を抑制して、膜質や膜厚さらに不純物濃度などの均一性に優れたエピタキシャル膜を、エネルギーの無駄を抑制して、量産性高く作製する技術の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の半導体薄膜の製造方法は、以下の工程を有する。
複数のサセプターの各々に基板が搭載される。各々に基板が搭載された複数のサセプターが、互いに上下方向に所定間隔が設けられるように回転機構に配置される。複数のサセプターが配置された回転機構が回転させられる。各々に基板が搭載された複数のサセプターが加熱される。回転しながら加熱されるサセプターの各々に、経路長が略等しいガス流路を経由しながら加熱された原料ガスを供給することで、半導体薄膜が堆積される。【００１７】
本製造方法によれば、基板を搭載するサセプターを複数用いて、多数枚の半導体基板（ウエハ）を同時に形成させているため、優れた量産性を発揮することができる。【００１８】
そして、複数のサセプターを、上下方向に所定間隔を設けて配置しているため、エネルギーの無駄を抑制することができる。【００１９】
また、経路長が略等しいガス流路を経由して所定の成膜温度に近い温度まで加熱された原料ガスを、複数のサセプターのそれぞれの隙間に導入しているため、サセプターの上下位置に関係なく各サセプターに、十分に加熱された同一条件の原料ガスが導入される。このため、上下位置に関係なく、基板上に膜質や膜厚さらに不純物濃度の均一なエピタキシャル膜を形成することができる。さらに、回転機構により基板を回転させているため、サセプターに導入された原料ガスを基板面全体に均一に分布させることができる。この結果、基板間のみならず、基板内においても、膜厚などの均一性が優れたエピタキシャル膜を形成することができる。【００２０】
なお、多段方式について、本発明者が行った実験の一例では、１００ｓｌｍの水素ベースのガスを流した場合の熱量として、多段に配置しない平置きの場合の約１３ｋＷに対して、多段に配置した場合には約７ｋＷと約半減することが確認できている。【００２１】
複数のサセプターの各々に供給される原料ガスは層流状態とされてもよい。
原料ガスを層流状態とすることにより、サセプターの上下位置に関係なく各サセプターに、十分に加熱された同一条件の原料ガスを導入することができる。【００２２】
具体的には、例えば、サセプター間の間隔と同じ間隔で設けられた複数の固定整流板を、回転しながら加熱されるサセプターの直前に配置して、原料ガスを通過させることにより、層流状態とすることができる。【００２３】
基板を搭載する工程は、複数のサセプターの少なくとも１つの両面の各々に基板を配置する工程を含んでもよい。【００２４】
サセプターの両面の各々に基板（単結晶基板）を配置しているため、原料ガスは向い合う基板の間を通過することとなり、それぞれの基板上に均一な単結晶の膜を形成させることができる。この結果、サセプターにおける多結晶の形成が抑制され、パーティクルの発生を抑制することができる。そして、サセプターの両面で均一な単結晶の膜を形成させることができるため、量産性がさらに向上する。【００２５】
複数のサセプターおよび原料ガスの少なくともいずれかは、抵抗加熱による複数の面からの輻射加熱によって加熱されてもよい。【００２６】
加熱方式として誘導加熱方式を採用した場合、本発明のように回転機構が導入されていると、誘導電流の流れるパスの対称性が崩れ、誘導加熱も非対称的となるため、温度分布が発生し、均一な加熱ができなくなる。また、回転機構に誘導電流が流れて部分的に過加熱される可能性もある。【００２７】
これに対して、抵抗加熱方式はヒーターからの輻射加熱であるため、これらの問題が発生する恐れがなく、容易に温度分布のない均一な加熱を行うことができる。また、少なくとも２面、例えば上下２面から加熱することにより、サセプターを加熱する均熱板の非対称性を補償して、均熱板の温度分布を小さくすることができる。【００２８】
抵抗加熱は、互いに独立に制御された複数の抵抗加熱ヒーターによって行われてもよい。【００２９】
抵抗加熱ヒーターによる加熱を、独立した温度制御に基づき投入電力のバランスを図りながら行うことにより、回転機構による熱の逃げの非対称性を補償して、均一な加熱を行うことができる。【００３０】
上述した誘導加熱方式では、独立した温度制御を行うためには、高価な電源を複数必要とする。また、誘導加熱方式を用いて２面からの加熱を行った場合、それぞれの高周波コイルからの高周波の緩衝が発生するため、独立した制御を行うことが困難であるが、抵抗加熱方式ではこれらの問題がない。【００３１】
複数のサセプターおよび原料ガスの少なくともいずれかは、高周波加熱によって加熱されてもよい。これにより、短時間で加熱を行うことができるので、半導体薄膜の製造効率を高めることができる。【００３２】
複数のサセプターの外周の回転周速度が、複数のサセプターに供給される原料ガスの流速以下であってもよい。【００３３】
サセプターの外周の回転周速度を原料ガスの流速以下に制御することにより、原料ガスを層流状態とすることができる。また、さらにサセプターの手前に固体整流板が設けられている場合には、固体整流板により層流状態にされた原料ガスの層流状態を維持することができる。このため、基板上に、厚さ、膜質、不純物濃度などの均一性が優れたエピタキシャル膜を形成することができる。【００３４】
複数のサセプタを回転機構に配置する工程は、回転機構を収めるチャンバー（５５）内へ複数のサセプタを搬入する工程を含んでもよい。半導体薄膜を堆積する工程の後に、複数のサセプタが搬出されてもよい。複数のサセプタを搬入する工程および複数のサセプタを搬出する工程の各々において、チャンバー内の雰囲気温度が２００℃以上に維持されてもよい。【００３５】
サセプターの搬入搬出時、室温近くの低温雰囲気で作業を行った場合、昇温、降温時の温度差による熱膨張、収縮に基づくストレスが発生して、基板以外のサセプター、ガス導入路、整流板などに付着した多結晶ＳｉＣなどの付着物が剥離し、パーティクルの発生源になる恐れがある。【００３６】
雰囲気温度が２００℃以上に維持されると、付着物の剥離が抑制され、パーティクルの発生を抑制することができる。また、このような温度では基板に水分が付着しないため、水分に起因するパーティクルの発生も抑制することができる。雰囲気温度が３００℃以上であるとより好ましい。【００３７】
なお、上述した誘導加熱方式は高周波加熱であるため、高周波電圧を印加した状態でサセプターを移動させると、高周波のマッチングがずれる可能性がある。このため、取り出し時には、高周波加熱をオフする必要があり、一定の温度を維持することが困難である。これに対して、抵抗加熱を用いる場合には、通電により一定の温度を維持することができる。【００３８】
上記の製造方法は、半導体薄膜を堆積する工程の後に、７００℃以上の温度を有する複数のサセプタを搬出する工程をさらに有してもよい。これにより半導体薄膜の製造効率がより高められる。【００３９】
半導体薄膜を堆積する工程は、炭化硅素および窒化物のいずれかを堆積することによって行われてもよい。【００４０】
炭化珪素や窒化物半導体のワイドバンドギャップ半導体は、結合エネルギーが大きいため、その膜の堆積には充分原料ガスを加熱する必要がある。本発明においては、前記した通り、回転するサセプターの間に十分に加熱された原料ガスを供給することができるため、これらのワイドバンドギャップ半導体を製造する方法として好適である。【００４１】
本発明の半導体薄膜の製造装置は、基板上に原料ガスを供給することで半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造装置であって、複数のサセプターと、回転機構と、加熱機構と、原料ガス導入機構とを有する。複数のサセプター（２０〜２２）は、各々が基板を搭載するものである。回転機構は、複数のサセプターを、互いに上下方向に所定間隔を設けて配置し、かつ回転させるものである。加熱機構は、複数のサセプターの各々および原料ガスを所定温度に加熱するものである。原料ガス導入機構は、複数のサセプターの各々に、経路長が略等しいガス流路を経由しながら加熱された原料ガスを供給するものである。【００４２】
上記のような構成を備えた半導体薄膜の製造装置は、前記したように、基板間のみならず、基板内においても、膜質、膜厚、不純物濃度などの均一性が優れたエピタキシャル膜を形成した半導体を量産性高く提供することができる。【００４３】
また、複数のサセプターを、上下方向に所定間隔を設けて配置しているため、前記した通り、エネルギーの無駄を抑制して効率的な加熱を行うと共に、装置のコンパクト化を図ることができる。【００４４】
原料ガス導入機構は、複数のサセプターの各々に供給される原料ガスを層流状態にする層流状態形成機構を含んでもよい。【００４５】
例えば、サセプター間の間隔と同じ間隔で設けられた複数の固定整流板を、回転しながら加熱されるサセプターの直前に配置したりして、原料ガスを層流状態にすることにより、前記した通り、サセプターの上下位置に関係なく各サセプターに、十分に加熱された同一条件の原料ガスを導入することができる。【００４６】
加熱機構は抵抗加熱ヒータを含んでもよい。抵抗加熱ヒータは、複数の面からの輻射加熱を行うことができるように構成されていてもよい。【００４７】
抵抗加熱ヒーターからの輻射加熱とすることにより、前記した通り、誘導加熱方式を採用した場合の加熱の非対称性などの問題の発生もなく、容易に均一な加熱状態にすることができる。【００４８】
上記の製造装置は、金属のチャンバーと、断熱材とをさらに有してもよい。チャンバーは、水冷され、抵抗加熱ヒーターを収納するものである。断熱材は抵抗加熱ヒーターとチャンバーとの間に配置されている。【００４９】
抵抗加熱ヒーターが水冷された金属のチャンバーに収納されているため、チャンバーの加熱を防ぐと共に、加熱のコントロールがし易い。この結果、安全性を高めることができる。また、原料ガスの漏洩を防いで原料ガスの無駄を抑制することができる。【００５０】
そして、断熱材を介して収納されているため、抵抗加熱ヒーターからの熱を一定環境に閉じ込めて、効率的な加熱を実現することができる。【００５１】
また、省スペース化を図れる抵抗加熱ヒーターを採用し、水冷された金属のチャンバーに、断熱材を介して収納することにより、各サセプターを所定間隔を設けて縦方向に配置する回転機構の採用とも相俟って、よりコンパクトな半導体薄膜の製造装置を提供することが可能となる。【００５２】
なお、高周波加熱（誘導加熱方式）の場合には、金属チャンバーに高周波が誘起されるため、加熱部を金属チャンバーに入れることが困難であり、一般に、水冷された金属チャンバーに比べ安全性が劣る石英管、あるいは石英窓が用いられている。【００５３】
加熱機構は高周波加熱機構であってもよい。
上記の製造装置は、回転機構に駆動力を伝達するための回転駆動軸をさらに有してもよい。回転駆動軸は、炭素からなり、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の直径を有してもよい。【００５４】
上記の製造装置は、複数のサセプタを昇降させるための昇降機構をさらに有してもよい。【００５５】
本発明のサセプターは、上記製造装置に用いられるものであって、板状本体および係止爪を有する。板状本体には、基板を搭載することができるように形成された穴（２０ｂ）が設けられている。係止爪は、穴から基板が落下することを防ぐための、板状本体から穴内に向けて突出したものである。【００５６】
このような簡易な構成のサセプターを用いることにより、１枚のサセプターに２枚の基板を容易に配置して、上下で同時にエピタキシャル膜を形成させることができるため、量産性が大きく向上する。【００５７】
具体的には、まずサセプターの穴に１枚目の基板を基板表面が下向きとなるように配置する。次いで、スペーサーを配置し、さらに、２枚目の基板を基板表面が上向きとなるように配置する。このとき、サセプターの内壁面下部の少なくとも３箇所に係止爪が設けられているため、これらの基板やスペーサーが落下せず、２枚の基板を配置することができる。【００５８】
本発明のサセプタ保持具は、上記製造装置の回転機構に用いられるものである。サセプタ保持具は、複数のサセプターが互いに上下方向に所定間隔を設けて配置されるように複数のサセプターの各々を保持している。サセプタ保持具には、複数のサセプターを搬入および搬出するのに用いることができるように、突出部が頭頂部に設けられている。【００５９】
全てのサセプターを上下方向に所定間隔で保持した状態で、均一に回転させることにより、各サセプターに配置された基板の各々に、厚さなどのばらつきがない半導体膜を形成させることができる。【００６０】
また、この状態のまま、搬入搬出を可能としているため、上述した２００℃以上の雰囲気温度下におけるサセプターの搬入搬出を容易に行うことができる。具体的には、例えば、サセプター保持具の頭頂部にＴ字状の突出部を設け、この突出部をアームで挟み込み、搬入搬出を行う。
【発明の効果】
【００６１】
本発明によれば、パーティクルの発生を抑制して、各基板間においても、さらに基板内においても、膜質、膜厚、不純物濃度などの均一性が優れたエピタキシャル膜を、コンパクトな装置により、エネルギーや原料ガスの無駄を抑制して、量産性高く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置の概略を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置のチャンバーとその近傍を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置のチャンバーの要部を模式的に示す図（Ａ）、およびその一部拡大図（Ｂ）である。
【図４】原料ガスが均一に供給される様子を概念的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置のサセプターへの原料ガスの導入を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置の中間部のサセプターの一例の概要を模式的に示す分解斜視図（Ａ）、およびその断面図（Ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置の中間部のサセプターの他の一例の概要を模式的に示す分解斜視図（Ａ）、およびその断面図（Ｂ）である。
【図８】本発明の実施の形態１における半導体薄膜の製造装置の下部のサセプターの概要を模式的に示す斜視図である。
【図９】基板の回転と原料ガスの予熱との効果を説明するための図であり、原料ガスの流れ方向の距離と半導体薄膜の厚さとの関係の一例を示すグラフ図（Ａ）、および、原料ガスの流れ方向の距離と原料ガスの温度との関係の一例を示すグラフ図（Ｂ）である。
【図１０】本発明の実施の形態２における半導体薄膜の製造装置の概略を模式的に示す一部断面図である。
【図１１】図１０の高周波加熱部の近傍を概略的に示す斜視図である。
【図１２】比較例のＳｉＣ半導体基板の製造の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
以下、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明する。
（実施の形態１）
１．半導体薄膜の製造装置
（１）全体構成
最初に、本実施の形態の半導体薄膜の製造装置としてのＣＶＤ装置（以下、単に「装置」ともいう）の全体について、図１、図２を用いて説明する。なお、図１は本実施の形態における半導体薄膜の製造装置の概略を模式的に示す断面図であり、図２は半導体薄膜の製造装置の要部であるチャンバーとその近傍を模式的に示す図である。
【００６４】
図１および図２に示すように、本実施の形態における半導体薄膜の製造装置は、ＳＵＳ製のチャンバー５５と、基板を回転させるための回転機構５０、原料ガスが導入されるガス導入口９５、原料ガスを予め加熱する予熱部７７、ガスを排気するためのターボ分子ポンプ９７および排気ダクト９８を備え、さらに、エピタキシャル成長した基板を取り出すためのグローブボックス５２、パスボックス５４を備えている。
【００６５】
そして、予熱部７７は、導入ガスが均一かつ十分に加熱されるよう、所定の長さに設計されている。また、各サセプター間に同一条件での原料ガスを導入するために、上下方向に配置されサセプター保持具により固定されたサセプターセットより、断面が大きく設計されている。
【００６６】
上下の内壁に沿って水冷ジャケット４２が設けられたチャンバー５５内には、炭素フェルト製の断熱材７５に囲まれた抵抗加熱方式のヒーター７６が設けられている。上下に設けられた２つのヒーター７６の間にサセプターがセットされる。
（２）チャンバー
次に、チャンバー５５内の構成につき、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を用いて説明する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）はチャンバーの要部を模式的に示す図である。
【００６７】
図３（Ａ）に示すように、断熱材７５に囲まれたヒーター７６に接して、均熱板４１が設けられている。そして、下側の均熱板４１には回転プレート５９が設けられている。回転プレート５９の上に、サセプターが配置される。回転プレート５９は、回転機構５０の回転軸４６に連結されており、回転軸４６は、上部が炭素棒４０からなり、石英ジョイント４７を介してＳＵＳ製のシャフト４５に連結され、さらに磁気流体シール４３を介してモーター４４に連結されている。即ち、モーター４４の回転に従って、磁気流体シール４３を介して回転プレート５９が回転する。
【００６８】
サセプターは、回転整流板９４を兼ねており、固定整流板９３に近接して同じ水平面を形成するように配置されている。この様子を図３（Ｂ）に示す。整流板により、導入された原料ガスが層流となって、各サセプターに略同じ温度の原料ガスが均等に導入される。各回転整流板９４（サセプター）は、サセプター保持具２５により、サセプターセットとして一体的に回転するよう相互に固定されている。
【００６９】
このように、サセプタ保持具２５は回転機構５０に用いられるものである。サセプタ保持具２５は、サセプター（回転整流板９４）が互いに上下方向に所定間隔を設けて配置されるように複数のサセプターの各々を保持している。サセプタ保持具２５には、複数のサセプターを搬入および搬出するのに用いることができるように、突出部８５が頭頂部に設けられている。
【００７０】
図４に、この原料ガスが均一に供給される様子を概念的に示す。図４において、上下の基板を除き、基板１１、１２は、スペーサー１３を介して、１枚のサセプターに配置されている。原料ガスが、ガス導入口９５から長い予熱部（図示せず）を経て各サセプター間に、温度、流速などの条件が等しい状態で導入されるため、各基板上に同一の条件でエピタキシャル膜が形成される。さらに、サセプターが回転しているため、各基板の全面にわたって均一に原料ガスを分布させることができる。この結果、基板間のみならず、基板内においても、厚さ、膜質、不純物濃度などの均一性が優れたエピタキシャル膜を形成することができる。
【００７１】
さらに、図３（Ｂ）に示すように、各サセプターの手前に固定整流板９３が設けられているため、原料ガスが層流となって各サセプターに導入される。このため、より均一性が優れたエピタキシャル膜を形成することができる。
（３）サセプター
次に、サセプターにつき、図５、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図７（Ａ）および図７（Ｂ）を用いて説明する。
【００７２】
図５は、サセプターへの原料ガスの導入を模式的に示す図であり、図４の概念図に対応している。本実施の形態の製造装置において、原料ガスの流れは整流ユニット１００によって制御される。整流ユニット１００は、サセプター２０〜２２と、複数の固定整流板９３とを有する。基板１２が配置されて回転しているサセプター２０〜２２に、固定整流板９３を経由した原料ガスが導入されて、各サセプター上に配置された基板上で単結晶のエピタキシャル成長が行われる。なお、図５において、２０は上下２枚の基板が配置された中間部のサセプターであり、２１は上面のみに基板が配置された下部のサセプターであり、２２は下面のみに基板が配置された上部のサセプターである。
【００７３】
複数の固定整流板９３のそれぞれはサセプタ２０〜２２に対応して配置されている。サセプター２１および２２によって挟まれる空間の高さＨＳは、最も下に位置する固定整流板９３と、最も上に位置する固定整流板９３とによって挟まれる空間の高さＨＩと略等しい。たとえば、高さＨＩは高さＨＳ±１０％の範囲にある。
【００７４】
次に、図６（Ａ）および図６（Ｂ）のそれぞれに、中間部のサセプター２０の概要の斜視図および断面図を示す。図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、中間部のサセプター２０は、所定の板厚を有する円板状のサセプター本体２０ａを備えており、サセプター本体２０ａには基板１１、１２をセットするための穴２０ｂが形成され、本体２０ａから穴２０ｂ内に向けて突出した係止爪２０ｃが、少なくとも３箇所に設けられている。なお、係止爪２０ｃは、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、サセプター本体２０ａの下部の内周全体にリング状に設けられていてもよい。
【００７５】
水平に置かれたサセプター２０の穴２０ｂに１枚目の基板１１が基板表面を下向きにして配置される。そして、基板１１の上にスペーサー１３が配置され、さらにその上に、２枚目の基板１２が基板表面を上向きにして配置される。スペーサー１３の材質としては、サセプターと同じ材質が好ましく、厚さは、２枚の基板の厚さと合計でサセプターと同じ厚さとなるようにする。これにより、各基板面とサセプター面とを同一平面に配置させることができる。
【００７６】
基板がセットされた穴２０ｂには３箇所以上の係止爪２０ｃが設けられているため、持ち上げても２枚の基板は落下することがない。
【００７７】
下部のサセプター２１における基板の取り付けを図８に示す。下部のサセプター２１の下面は回転プレートと接するため、ここでは１枚の基板だけがセットされる。サセプタ２１の上面には、貫通穴２０ｂ（図６（Ａ））の代わりに、座繰り穴２１ｂが設けられている。なおサセプタ２２の下面にも同様の座繰り穴が設けられている。
２．半導体薄膜の基板の製造（エピタキシャル成長）
次に、上記の装置を用いた半導体薄膜の製造（エピタキシャル成長）につき説明する。
【００７８】
最初に、各サセプターに２枚の基板（上下サセプターでは１枚）をセットする。基板がセットされた複数のサセプターをサセプター保持具を用いて上下方向に所定間隔で固定した後（サセプターセット）、チャンバー内に搬送し、回転プレートに装着する。
【００７９】
次に、ターボ分子ポンプを用いて、チャンバー、グローブボックス、およびパスボックス内の残留ガスを排気して高真空とする。
【００８０】
その後、回転機構によりサセプターセットを回転させながら、ヒーターによりチャンバー内を所定温度まで加熱する。
【００８１】
その後、原料ガスをガス導入口よりチャンバー内に導入する。この際、原料ガスは予熱部で予め十分に加熱されている。原料ガスを流した後は、ターボ分子ポンプに替えてドライポンプを用いて排気ダクトから排気する。
【００８２】
加熱された原料ガスを、固定整流板を経由して回転整流板（サセプター）に導入する。このとき、予熱部はサセプターセットよりも大きく設計されているため、各固定整流板および各サセプターに同一の条件で原料ガスが導入される。また、固定整流板を経由することにより、原料ガスが層流とされ、サセプターの外周の回転周速度を原料ガスの流速以下に制御することにより、原料ガスが層流を乱すことなく、回転するサセプターの間に流れる。
【００８３】
導入された均一な原料ガスにより、各基板上で、膜質、膜厚、不純物濃度などの均一性が優れた単結晶がエピタキシャル成長する。
【００８４】
ここで、原料ガスの加熱状態による膜厚への影響につき、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に基づいて説明する。図９（Ａ）および図９（Ｂ）において、横軸は原料ガスの流れ方向の位置を示している。また、縦軸は、図９（Ａ）では基板上に形成された半導体薄膜の膜厚を、図９（Ｂ）では基板上のガス温度を示している。
【００８５】
ガスが十分に加熱されている場合には、図９（Ｂ）の実線のように、基板上に一定の温度のガスが導入される。この場合における膜厚は、回転させない場合には、図９（Ａ）の一点鎖線のように、ガスの消費に伴い厚さが徐々に薄くなる。しかし、回転させた場合には、図９（Ａ）の実線のように、均一な厚さに成膜される。
【００８６】
これに対して、ガスが十分に加熱されていない場合には、回転させていたとしても、図９（Ｂ）の破線のように、初期には回転によっても十分な厚さの膜を成膜させることができない。また、基板終端部付近においても、ガスの消費によって膜厚が薄くなる。
【００８７】
所定厚の単結晶膜を形成した後は、Ａｒガス等の不活性ガス雰囲気のグローブボックスまで、サセプターセットを２００℃以上の温度で搬出する。高温で搬出することにより、サセプター、ヒーター、均熱板などに水分が付着することが抑制され、引き続き高純度のエピタキシャル膜の形成が可能となる。また、２００℃程度から温度の低下速度が下がることから、このような高い温度で搬出し、また次のサセプターセットをチャージできることで装置のスループットを上げることができる。
【００８８】
さらに炉内を室温近くまで下げないことで、温度変化による付着物剥がれ起因のパーティクル発生を抑制できる。
【００８９】
高温で搬出されたサセプターセットは、グローブボックス内で室温まで冷却される。その後、パスボックスに落とされ、グローブボックスに大気が混入されないように取り出される。
【００９０】
上記の各工程において、ヒーターが炭素フェルト断熱材で断熱されているため、各工程での熱損失が少ない。また、加熱される箇所が水冷ジャケットに囲まれているため、装置を小型化することができ、さらに、装置が設置されている室内の温度上昇も最小限に抑えることが可能となる。
【００９１】
本実施の形態によれば、原料ガスが基板群に到達する前にサセプタ温度に近い温度にまで加熱される間、それぞれの基板に供給される原料ガスの流れの経路長が略等しくなる。これにより、基板に達する時点での原料ガスの温度のばらつきが、基板間で小さくなる。よって基板間での成膜条件のばらつきを小さくすることができる。
【００９２】
なお経路長が略等しいとは、具体的には経路長が原料ガスの加熱の観点で実質的に等しいことを意味し、たとえば、経路長のばらつきが一の値に対して±１０％以内であることに対応する。
【００９３】
（実施の形態２）
図１０および図１１を参照して、本実施の形態における半導体薄膜の製造装置は、石英管２５５（チャンバー）と、高周波コイル２７４と、断熱材２７５、２７６および２７６ｖと、炭素棒２４０と、高周波加熱部２４１ａおよび２４１ｂと、回転駆動軸２４５と、回転方向変換部２４７と、搬送アーム２６５と、昇降機構２５７とを有する。昇降機構２５７は、制御棒２５８および変位棒２５０を有する。
【００９４】
回転駆動軸２４５は、炭素からなり、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の直径Ｄを有してもよい。回転駆動軸２４５は、自身の軸周りに回転されることによって駆動力を伝達するものである。回転駆動軸２４５によって伝達された駆動力は、回転方向変換部２４７によって回転方向が変換されて、回転機構としての炭素棒２４０の回転力とされる。
【００９５】
本実施の形態においては、整流ユニット１００に含まれるサセプター２０〜２２および複数の固定整流板９３（図５）は、高周波加熱によって加熱される。また複数の固定整流板９３が加熱されることによって、その間を通る原料ガスが加熱される。矢印ｆａに示すように導入された原料ガスは、加熱されて成膜に用いられた後、矢印ｆｂに示すように排出される。高周波加熱は、具体的には、高周波コイル２７４による高周波加熱部２４１ａおよび２４１ｂの各々中での誘導電流を用いて行われる。誘導電流は、高周波加熱部２４１ａの空洞部ＣＶａと、高周波加熱部２４１ｂの空洞部ＣＶｂとの各々の周りを回るように流れる（図１１の矢印参照）。
【００９６】
上述した加熱および原料ガスの供給により半導体薄膜が堆積された直後にはサセプタ２０〜２２は高い温度を有している。本実施の形態においては、半導体薄膜を堆積後に、７００℃以上の温度を有するサセプタ２０〜２２が搬出されてもよい。具体的には、まず昇降機構２５７によって炭素棒２４０が上方へ押し上げられる。これにより回転プレート５９が持ち上げられ、この結果、サセプター２０〜２２が上昇する。次に搬送アーム２６５が、矢印（図１０）に示すように移動することで、回転プレート５９の下方に挿入される。次に昇降機構２５７による炭素棒２４０の押し上げが解除されることで、サセプター２０〜２２と回転プレート５９とが下降して搬送アーム２６５上に載置される。次に搬送アーム２６５を変位させることで、回転プレート５９と共に、基板が搭載されたサセプター２０〜２２が搬出される。好ましくは、原料ガスの流れの下流側（矢印ｆｂ側）へ搬出が行われる。
【００９７】
上述したように、サセプター２０〜２２を昇降させるための昇降機構２５７が設けられることで、搬送アーム２６５をサセプター２０〜２２の下方に挿入する動作が可能となり、よって搬送アーム２６５を用いた搬出が可能となっている。
【００９８】
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００９９】
本実施の形態によれば、高周波加熱が用いられることで、より短時間で加熱を行うことができる。これにより半導体薄膜の製造効率を高めることができる。
【０１００】
また昇降機構２５７が設けられることでサセプター２０〜２２の搬出を容易に行うことができるので、サセプター２０〜２２の温度が、１０００℃程度でも搬出が可能であり、たとえば７００℃以上で搬出を行うことで、製造効率がより高められる。
【実施例】
【０１０１】
上述した実施の形態１に対応する実施例を以下に示す。本実施例においては、前記の装置を用いて、同時に６枚のＳｉＣ基板に単結晶ＳｉＣ膜を形成させている。【０１０２】
改良レーリー法により成長させたインゴットから切り出し、鏡面研磨を施した後、有機溶媒、いわゆるＲＣＡ洗浄、およびフッ酸で順に洗浄した後、脱イオン水でリンスすることにより、６枚の４Ｈ−ＳｉＣ｛０００１｝基板（直径１５０ｍｍ×厚さ６００μｍ）を作製し、サセプターにセットした。なお、この基板における抵抗率は０．０１７Ωｃｍであった。【０１０３】
サセプターは、ＴａＣコートの炭素板（直径２００ｍｍ×厚さ２ｍｍ）で形成されており、中央部には基板を配置するための穴が設けられている。そして、穴の周囲には、３箇所の係止爪が内側に向けて設けられている。【０１０４】
２枚の基板のサセプターへの配置は、最初に、サセプターの穴に１枚目の基板を基板表面が下向きとなるように配置する。次いで、１枚目の基板の上にＴａＣコートの円盤（厚さ１ｍｍ）をスペーサーとして配置する。最後に、スペーサーの上に２枚目の基板を基板表面が上向きとなるように配置する。これにより、２枚の基板とスペーサーの厚さの合計をサセプターの厚さに合わせることができる。前記したように、サセプターの穴には爪が設けられているため、これらの基板やスペーサーが落下することはない。このように、１枚のサセプターに２枚の基板を配置することにより、上下で同時に２枚の基板上にＳｉＣ膜を形成させることが可能となる。【０１０５】
合計６枚の基板を収容した３枚のサセプターを回転機構に等間隔で上下方向に配置し、上下２面に設けられた抵抗加熱ヒーターにより、１５５０℃に加熱した。【０１０６】
導入する原料ガスとして、Ｈ２、ＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８、およびＮ２の混合ガスを用いて、Ｈ２＝１５０ｓｌｍ、ＳｉＨ４＝４５ｓｃｃｍ、Ｃ３Ｈ８＝２２．５ｓｃｃｍ、Ｎ２＝８０ｓｃｃｍの流量で導入を行い、圧力は１０ｋＰａ（１００ｍｂａｒ）に維持した。【０１０７】
また、サセプターの回転の速度は、原料ガスの流速以下となるように１００ｒｐｍとした。【０１０８】
以上のような条件下、成長時間１２０分で、６枚の各基板上に厚さ１１μｍのＳｉＣ単結晶膜を形成した。【０１０９】
ＳｉＣ単結晶膜が形成された６枚の基板間の厚さのばらつきを測定したところ、中心部で（最大―最小）／平均＜３％であった。また、中心部の不純物濃度を測定したところ、平均キャリア密度は９×１０１５ｃｍ−２であり、そのばらつきは（最大―最小）／平均＜５％であった。【０１１０】
また、基板内のばらつきを測定したところ、厚みのばらつきは（最大―最小）／平均＜３％、不純物濃度のばらつきは（最大―最小）／平均＜４％であった。【０１１１】
上記のように、ばらつきが小さな６枚のＳｉＣ単結晶基板を得ることができた。この理由は、６枚の基板の各々に対する単結晶のエピタキシャル成長の条件が、互いにほぼ同じとなったためと考えられる。具体的には、基板温度のばらつきと、基板に達する時点での原料ガスの温度のばらつきとが、基板間で小さかったためと考えられる。基板の温度のばらつきは、各基板がサセプタに取り付けられていたことによって抑制されたと考えられる。また原料ガスの温度のばらつきは、原料ガスが基板群に到達する前にサセプタ温度に近い温度にまで加熱される間、それぞれの基板に供給される原料ガスの流れの経路長が略等しかったことにより抑制されたと考えられる。【０１１２】
なお、各基板の厚さの測定は、ＳｉＣ単結晶膜が形成された径１５０ｍｍの基板の外周部から７ｍｍ内側の５点を選択して厚さを測定した。そして、各基板の不純物濃度の測定は、Ｃ−Ｖ測定の方法により行った。【０１１３】
エピタキシャル成長で発生したパーティクル欠陥の密度は、６枚のウエハで平均０．４ｃｍ−２であった。なお、パーティクル欠陥は、パーティクル起因によるエピタキシャル成長膜の欠陥であり、前記エピタキシャル成長膜の欠陥は、光学顕微鏡で倍率×５００倍で、突起として観測され、大きさ略１μｍ×１μｍ以上、または径が１μｍ以上の欠陥を基板全面でカウントし、単位平方センチあたりに換算して表記している。【０１１４】
その後、本実施例で得られたＳｉＣエピタキシャル膜を用いて、表側に直径２．４ｍｍのＴｉのショットキー電極を、裏側にＮｉのオーミック電極を形成し、ショットキーダイオードを作製した。なお、ショットキー電極の周囲には、Ａｌのイオン注入により、３重のガードリングを形成した。このショットキーダイオードは、耐圧１２００Ｖが得られ、また、５００Ａ／ｃｍ２でのオン電圧は１．７Ｖが得られ、優れた特性のショットキーダイオードであることが確認された。【０１１５】
〈比較例〉
本比較例は、ホットウォール方式を用いて基板上にＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させた例である。【０１１６】
図１２に示す装置を用いて、基板上にＳｉＣ単結晶を成長させ、比較例のＳｉＣ基板を作製した。この装置は、前記した通り、加熱方式として高周波誘導加熱方式を採用している。また、基板は上下方向に多段に配置されるのではなく、同じ平面に配置されている。【０１１７】
本比較例においては、回転を実施していない。これは、サセプターが高周波コイルに囲まれており、下部からの回転導入が困難であることによる。【０１１８】
そして、ガスが通過するチャネルの高さを、実施例における均熱板や整流板の間隔と同じに設定して、その他は実施例と同じ条件で、厚さ１２μｍのＳｉＣ単結晶膜を形成した。【０１１９】
本比較例においては、成長速度は、実施例と比較して、１割弱速いが、同じガス消費量で、上流と下流でそれぞれ１枚しかエピタキシャル成長させることができないことから、その生産性は、実施例の約１／３と言える。また上流と下流とで、膜厚分布で１０％、不純物濃度分布で２０％の違いがあった。パーティクル欠陥に関しては、加熱板３０からの落下と推測される多結晶ＳｉＣが基板に付着しており、その密度は、平均５ｃｍ−２であった。【０１２０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２１】
１０、１１、１２  基板、１３  スペーサー、２０〜２２  サセプター、２０ａ  サセプター本体、２０ｂ  穴、２０ｃ、２０ｄ  係止爪、２５  サセプター保持具、３０  加熱板、３２、７０  ワークコイル、３１、６０、７５  断熱材、３３、７１  遮蔽板（シールド）、３４、７２  冷却管、４０  炭素棒、４１  均熱板、４２  水冷ジャケット、４３  磁気流体シール、４４  モーター、４５  シャフト、４６  回転軸、４７  石英ジョイント、５０、２４０  回転機構、５２  グローブボックス、５４  パスボックス、５５  チャンバー、５９  回転プレート、７６  ヒーター、７７  予熱部、８５  突出部、９３  固定整流板、９４  回転整流板、９５  ガス導入口、９６  ガス排出口、９７  ターボ分子ポンプ、９８  排気ダクト、２４５  回転駆動軸、２５７  昇降機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2011114858.tif 000016
2011114858.tif 000017
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